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JPH06213080A - 火花点火内燃機関 - Google Patents

火花点火内燃機関

Info

Publication number
JPH06213080A
JPH06213080A JP5261135A JP26113593A JPH06213080A JP H06213080 A JPH06213080 A JP H06213080A JP 5261135 A JP5261135 A JP 5261135A JP 26113593 A JP26113593 A JP 26113593A JP H06213080 A JPH06213080 A JP H06213080A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cylinder
exhaust
valve
inlet
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5261135A
Other languages
English (en)
Inventor
John Stokes
ストークス ジョン
Timothy H Lake
ヒュー レイク ティモシー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricardo PLC
Original Assignee
Ricardo Consulting Engineers Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricardo Consulting Engineers Ltd filed Critical Ricardo Consulting Engineers Ltd
Publication of JPH06213080A publication Critical patent/JPH06213080A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • F02D13/0234—Variable control of the intake valves only changing the valve timing only
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気ガス中のＮＯｘや炭化水素を減少させ、
且つ燃料消費量の少ない火花点火機関を提供する。 【構成】 排気ガス再還流と再還流された排気ガスの層
状化を採用する形式の火花点火機関であり、少なくとも
１個のシリンダー（２）を有しその中にピストン（３
２）を内蔵しシリンダー内へ空気を導入する入口弁
（３）と共働する少なくとも１個の入口ポートとシリン
ダーから排気ガスを放出するために排気弁（５，６）と
共働する排気ポートとを有する。入口ポート（１１）は
シリンダー（２）中にシリンダー軸を中心として１方向
に渦巻き運動を生じるように構成及び配置される。シリ
ンダー中に還流排気ガスを導入するポートはこれを流れ
る排気ガスがシリンダー軸を中心として前記１方向に渦
巻き運動をするように構成され配置される。また入口弁
（３）と排気弁（６）とは夫々の可変弁タイミング機構
（３４，３６）によって操作されるように接続されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は火花点火型の内燃機関に関し、窒
素の酸化物（ＮＯｘ）と炭化水素（ＨＣ）のこの種の機
関からの放出を減少し、燃料消費量を低下させることに
関する。
【０００２】
【背景技術】ガソリンエンジンのＮＯｘ放射と燃料消費
を減少する公知の方法は稀薄な燃料／空気混合物を採用
することである。これは燃料の空気による希釈作用をも
たらし燃焼温度を低下させる。低い燃焼温度はＮＯｘの
放射を減少させる傾向がある。スロットル損失の低下と
いわゆる稀薄燃焼エンジンは低い燃料消費をもたらす。
このアプローチの主要欠点は過剰酸素が排気ガス中に存
在することであり、更にＮＯｘ放出の減少を要求された
ときに還元性触媒を使用することができなくなることで
ある。
【０００３】稀薄燃焼で達成されるのと類似した作用は
排気ガス再還流（ＥＧＲ）の利用によっても達成し得る
ことは周知である。もし、燃焼ガスを過剰空気によって
希釈化する代わりに再還流排気ガス（ＲＥＧ）で希釈し
たとしても、温度の低下は過剰酸素を使用しないで達成
される。燃焼過程は事実上ストイキオメトリックで残留
ＮＯｘの変換の為に排気システム内に還元性触媒を使用
することが可能である。
【０００４】ＥＧＲを利用することのその他の利益は空
気取り入れの流れの中のスロットル損失の減少による燃
料経済の改善である。しかし、ＥＧＲの使用はまた欠点
も伴うが、これは、排気ガスが燃焼室中に分配される
と、これが炎フロントの開始と伝搬に悪影響を及ぼし、
燃焼の早期終了をもたらして未燃焼炭化水素の放出の増
加と言う結果をもたらすこととなる可能性があると言う
ことである。
【０００５】ＥＧＲの使用に伴う問題はエンジンを層流
化されたチャージを燃焼室内に作るように形成するこ
と、換言すれば空気と再還流排気ガスの入口を、空気／
燃料混合物と再還流された排気ガスとが燃焼室内で別々
な場所を占拠して事実上混合されないで残っているよう
にすることによって大いに克服されることも知られてい
る。更に、燃焼室中のクレビス、油および被着物上での
排気ガスの層流化は空気／燃料混合物の油、クレビスお
よび被着物との接触を防止することによって炭化水素放
出を減少しよう。これを達成する公知の方法は追加的な
入口ポートまたは弁を有するが、これらは再還流排気ガ
スの導入のみに使用されまたは空気と排気ガスとを入口
弁を通過する前にまたは通過中に混合するようにする。
これらの両者の形式のエンジンは米国特許４，１９３，
３８２に開示されている。
【０００６】この種のシステムの欠点は燃焼室への付加
的開口は費用と複雑性とを加え、例えば入口および排気
弁および点火プラグのような燃焼室のその他の特徴的な
部分の為のスペースに制限を加えることとなる。入口弁
以前の排気ガスの空気流中への導入は相当な混合を生じ
その為効果的でない層流化をもたらしてそのため上述し
た欠点を生じる。
【０００７】米国特許４，３９３，８５３は４気筒エン
ジンを開示しているが、その中で各シリンダーはシリン
ダーヘッドに形成された単一の入口ポートと単一の排気
ポートと更にシリンダー壁に形成され上死点位置を過ぎ
た６０°でピストンによって露出するように位置決めさ
れている切線方向に向いた排気出口／ＥＧＲ入口を有す
る。４気筒の排気出口／ＥＧＲ入口は２対に接続されて
いる。入口ポートはヘリカル型のもので、導入ストロー
クにおいて導入空気はシリンダー中に導入されてシリン
ダー軸を中心として回転する空気ボデイーを形成する。
【０００８】低負荷の場合、排気出口／ＥＧＲ入口はピ
ストンによって露出されると再還流排気ガスが切線方向
にシリンダーに空気と同一方向に回転するように接続さ
れたシリンダーから導入される。排気ガスは事実上空気
の外側に止まり、シリンダーの内容物はそのため事実上
半径方向に層状化される。排気ストロークにおいては、
排気ガスは全て通常の要領でシリンダーヘッド内にある
排気弁を介して追出されるが、付属シリンダーで要求さ
れる小部分のみが例外で、これは排気出口／ＥＧＲ入口
開口を通って排出される。
【０００９】半径方向の層状化は、ガスの２回転体が相
当に混合される傾向があると言う点で不満足であると言
う事実とは極めて相違してはいる。シリンダー壁に開口
を設けることは不都合である。即ち、このような開口の
設置はピストンリングの大きな磨耗とシリンダーの歪み
とを生じ、これらは油の消費量を高くするものである。
更に、ピストンは潤滑油を開口内へこすり落し、その為
に排気ガスは比較的高い割合の未燃焼のまたは一部燃焼
した油を含有することとなる。
【００１０】
【発明の開示】層状化チャージを夫々の燃焼室内に作り
出すように形成され排気ガス再還流を使用はするがシリ
ンダー内へ排気ガスの導入に追加的なポートまたは弁を
使用することなく、一方排気ガスの入口空気からの分離
をシリンダーが到達してその後事実上分離する。即ち層
状化が保たれるように作られた火花点火機関を提供する
ことが本発明の目的である。
【００１１】本発明によれば、排気ガス再還流と再還流
排気ガスの層流化を採用し、ピストンを収容しシリンダ
ー中へ空気を導入するために入口弁と共働する少なくと
も１個の入口ポートとシリンダーから排気ガスを排出す
るために排気弁と共働する少なくとも１個の排気ポート
とを有し、また少なくとも１本のシリンダーを有し、入
口ポートがこれを通って流れる空気にシリンダー軸を中
心として一方向にシリンダー内で渦巻き運動を生じさせ
るように構成、配列され、再還流排気ガスをシリンダー
内へ導入する装置がこれを通る排気ガスがシリンダー軸
を中心として前記一方向にシリンダー内で渦巻き運動を
生じさせるように構造配列されているものである。更
に、入口弁と排気弁とが夫々の可変弁タイミング機構に
よって操作されるように接続されており、低エンジン負
荷ではピストンの各導入ストロークの開始に当たって排
気弁が開いて入口弁が閉じこれによって最初に排気され
たガスはシリンダー内に導入されその後排気弁は閉じら
れて入口弁が開放されて空気がシリンダー内へ導入され
るようにこれらが制御されることを特徴としている。
【００１２】空気のみまたは空気／燃料混合物がシリン
ダー内へ導入されるようにピストンの導入ストローク中
に排気弁が閉じられて入口弁が開かれるのは普通のエン
ジンにとって勿論通常のことで重要なことである。本発
明によるエンジンは導入ストロークの初期に排気弁が故
意に開けられたままとなり入口弁が故意に閉めたままに
されて最初に排気ガスのみがシリンダーに導入される、
と言う点で根本的に相違している。
【００１３】これは、排気ポートの構造と向きのために
シリンダー中でほぼシリンダー軸を中心として一方向へ
の渦巻き運動が起こされる。即ち排気ポートは流入排気
ガスの渦巻き運動を起こさせるように構成される、換言
すればこれが周知のヘリカル型であるかまたは代わりに
流入排気ガスがシリンダー内で渦巻き運動を起こすよう
に位置が決められている。エンジン制御器または管理シ
ステムによって定められた期間の後、排気弁は閉じ、入
口弁が開いて空気または空気／燃料混合物の導入が通常
の要領で進行する。導入された空気もまた入口弁の構造
とまたは方向性の為に排気ガスと同一の方向にシリンダ
ー軸を中心としてシリンダー内で渦巻き流を起こし、こ
れは排気ガスと空気とがシリンダー内で事実上分離され
た形で残りその為シリンダー内で導入チャージが鋭い層
状化を作る結果となる。
【００１４】通常の４ストロークエンジンにおいては、
入口弁は通常上死点（ｂｔｄｃ）の前１０°±５°で開
き下死点（ａｂｄｃ）の後５０°±１０°で普通閉じ
る。排気弁は普通下死点（ｂｂｄｃ）の前５０°±１０
°で開き普通上死点（ａｔｄｃ）の後１０°±５°で閉
まる。本発明によるエンジンにおいては、入口弁は通常
７０°ａｔｄｃと標準時刻との間の任意の場所で開き５
０°±１０°ａｔｄｃで閉じ、一方排気弁は通常５０°
±１０°ｂｂｄｃで開き通常８０°乃至１０°ａｔｄｃ
で閉まる。
【００１５】所望によってシリンダー中へ導入する排気
ガスの量は負荷の減少と共に増加し、従って可変弁タイ
ミング機構は好ましくは排気弁が開かれ入口弁が閉じら
れている導入ストローク中の時間はエンジン負荷の増加
と共に減少するように制御されると言うことを勿論認め
なければならない。
【００１６】燃料が導入空気とのみ混合され導入排気ガ
スとは混合されないと言うことは好ましいことである
が、これはエンジンが従来のキャビュレターを持ってい
る場合には自動的に生じるものである。しかし、エンジ
ンが燃料を入口ポートへ噴射する為に設けられた燃料噴
射機を備えるならば、これは好ましくは入口弁が開いた
後に燃料のみを噴射するように制御される。
【００１７】エンジンは単一の入口ポートと単一の排気
ポートをシリンダー当たり持っていてもよい。しかし、
シリンダーが夫々の排気弁と共働する２個の排気ポート
につながり、単一の排気弁が可変弁タイミング機構に接
続され一方他方の弁が通常の付勢機構に接続されて従来
の時刻に開閉されると言うことが好ましい。またシリン
ダーが夫々の弁と共働する２入口ポートにつながり、単
一の入口弁のみが可変弁タイミング機構につながり、他
方の弁が通常の時刻で開閉されると言うことも好まし
い。低エンジン負荷において第２入口ポートを通って空
気は通過させないが高エンジン負荷の場合空気の通過を
可能とする装置を設けることも好ましい。これは必要な
時即ち多量の燃料がシリンダー中に噴射されたときに燃
焼の為に多量の空気が得られると言う結果となる。
【００１８】導入空気のシリンダー軸を中心とする渦巻
き運動は導入チャージの所望の鋭い層流化を作る為に低
エンジン負荷において必要なことではあるが、この種の
渦巻き運動は高エンジン負荷では不必要または僅かの量
の渦巻き運動が必要である。この場合好ましいことでは
あるが、可変弁タイミング機構によって弁が操作されて
いる入口ポートが周知の方向性のある形式である場合、
低エンジン負荷においては別の入口ポートを通って空気
が導入されないことが必要である。
【００１９】その理由は導入空気の渦巻き運動を減少ま
たは破壊するからであるが、その代わりにもし空気が第
２入口ポートを通って導入されるならばこれは導入空気
の渦巻き運動を事実上破壊しない要領で導入することが
必要である。低エンジン負荷で第２入口ポートから空気
が導入されない場合には第２入口ポートに付属する上述
した装置は低エンジン負荷において閉止されるが所定の
中間負荷点に達した後エンジン負荷の増加に伴って順次
開くように制御される第２入口ポート中にまたはこれに
つながる入口ダクトに設けられたスロットル弁で構成し
得る。
【００２０】これに代わって、第２入口弁はこれを非付
勢状態としこれによってこれが低エンジン負荷の場合閉
じたままとなり、前記中間負荷点に達したときに開くよ
うな公知の装置を設けてもよい。全てのエンジン負荷に
おいて第２入口ポートから空気が導入したいのならば、
これは周知の要領で導入空気に必要な渦流を破壊するこ
と無くなされるが、これは例えばこれを通って流れる空
気流に必要な方向性を与える２入口ポートにスロットル
を設けるかまたは代わりに第２入口弁にも可変弁タイミ
ング機構を設けて低エンジン負荷において第１入口弁が
完全に開くが第２入口弁は一部のみ開くようにする。
【００２１】本発明のエンジンにおいては、再還流排気
ガスはシリンダー中へ比較的低エンジン負荷のときのみ
に導入して高いエンジン負荷においてはこれを空気で置
き換えることを意図している。しかし、少量の排気ガス
が全てのエンジン負荷においてシリンダー中に導入して
周知の長所を得るようにすることも考慮している。これ
は排気弁がピストンの導入ストロークの開始時に短期間
開放のままとなるように適当に付属電子制御システムを
プログラムすることによって簡単に達成し得る。可変弁
タイミング機構の制御をピストンの各導入ストローク中
にシリンダー中に噴射した燃料の量の関数である検出し
たエンジン負荷に応じて主として行われるものではある
が、実際にはまた、速力への依存性は負荷に対する依存
性に比較して２次的な重要性氏か持たないものではある
がエンジン速力に応じて可変弁タイミング機構を制御す
ることも実際には好ましいことと考えられる。
【００２２】
【実施例】本発明のその他の特徴と詳細は添付した略示
図面を参照しての例示として与えた１特殊実施例に関す
る以下の説明から明かとなろう。図面は往復運動可能な
ピストン３２を内蔵し夫々入口ポート１１と１２を制御
する２入口弁３と４と、排気ポート７と８とを夫々管理
する２排気弁５と６とを有するシリンダーヘッド１によ
って閉止されているエンジンの一つのシリンダー２を示
す。排気ポート７と８とは排気ダクト９に接続されてい
る。入口ポート１１と１２とはほぼ平行でほぼ平行な入
口ダクト１３と１４とに接続されている。入口ダクト１
３は空気をポート１１と弁３に供給し燃料噴射機１６を
含んでいる。入口ダクト１３と１４とはスロットル弁１
７と１８とが夫々取り付けられている。燃料噴射機とス
ロットル弁およびダイバーター弁を含むエンジンの各種
部品は電子的制御システム（図示せず）によって制御さ
れる。
【００２３】入口ポートは方向性のもので、即ちこれら
を通過する空気流は付属する弁の軸方向に対して１半径
方向に優先的に流れるもので、換言すればポートの延長
方向にほぼ向かうものである。入口ポート１１はほぼ切
線方向に向かってその為これを通過するガスはシリンダ
ー軸を中心として図１の時計方向にシリンダー内を渦巻
き運動をする。入口ポート１２はまた切線方向に但し反
対方向に向いているが、これによってこれから流出する
ガスはシリンダー軸を中心として渦巻き運動をするが、
しかし反対方向で即ち反時計方向を採る。
【００２４】入口弁４と排気弁５とは通常の要領で通常
のカムによって動作される。しかし入口弁３と排気弁６
とは周期および位相の変化可能の形式の夫々可変弁タイ
ミング（ＶＶＴ）機構３４、３６によって操作される
が、これらもまた電子的制御システムによって制御され
る。この種の機構はＥＰ−Ａ−０４７２４３０中に開示
されている。排気ポート８はまた方向性の形式のもの
で、これを通ってシリンダー中にはいるガスは図１で見
て時計方向にシリンダー軸を中心として渦巻状に流れ
る。
【００２５】低エンジン負荷の場合スロットル弁18は閉
止状態に維持され、そのため空気は入口ポート１２を通
ってシリンダー内に流入しない。ピストンの各導入スト
ロークの初期に排気弁６はＶＶＴ機構３６によって一定
時間の間開放を維持し、入口弁３は閉止状態に維持され
ている。ピストンが下方に動くと空気ではなくて排気ガ
スがその為シリンダー内へ導入されこの排気ガスが排気
ポート８の構造と方向性野為にシリンダー内で時計方向
に渦巻き運動が生じる。
【００２６】エンジンの負荷と速度に応じて制御システ
ムによって決定された時間に排気弁６が閉じ、次に入口
弁３が開く。燃料噴射機１６が入口弁３が開いたときま
たはその僅かに前に付勢されて空気／燃料混合物が次に
入口ポート１１を通って流れ、シリンダー内を時計方向
に渦流運動をする。ＲＥＧと空気／燃料混合物が順番に
導入されて同一方向に渦流運動を行う為に混合が生じず
これらはシリンダーの夫々の場所２０、２１を占拠しこ
こにチャージの鋭い層状化が生じる。空気／燃料混合物
は次にシリンダー軸の事実上上にある火花プラグ２２で
および／またはシリンダーの周辺の近くに位置する火花
プラグ２３によって所要の燃焼特性に応じて点火され
る。
【００２７】エンジン負荷が増加すると、導入の為に排
気弁６が開放状態で入口弁３が閉じられている期間が減
少されてＲＥＧの体積が順次減少された状態で導入さ
れ、スロットル弁１７が順次開放されて順次増加する体
積の空気が導入される。所定の中間負荷値以上になると
ＲＥＧの導入は終り、弁３と６とが適当なタイミングで
動作するように制御され、即ち同時に弁４と５とが同様
に動作し、弁１８は順次開放されて入口ポート１２を介
して追加の空気が導入される。入口ダクト１２を介して
導入された空気の反対方向に渦巻き流のため導入チャー
ジの全体としての渦巻き流はエンジン負荷が減少すると
その為に減少すること、所望の通りである。
【００２８】
【産業上の利用可能性】本発明により、排気ガス中のＮ
Ｏｘや炭化水素の放出を減少し、燃料消費量を減少する
火花点火機関を提供することが可能であり、尚機関は自
動車用ばかりでなく各種用途の機関に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】２入口弁と２排気弁を有する形式の多シリンダ
ー４ストローク火花点火機関の１シリンダーの平面図で
ある。
【図２】図１に示すシリンダーの側面断面図である。
【符号の説明】
２ シリンダー ３ 入口弁 ６ 排気弁 １１ 入口ポート ３２ ピストン ３４、３６ 可変弁タイミング機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 9/02 Ｓ ３６１ Ｊ 13/02 Ｊ 7049−3Ｇ 21/08 Ｌ 7049−3Ｇ 43/00 ３０１ Ｎ 7536−3Ｇ Ｚ 7536−3Ｇ Ｆ０２Ｍ 69/00 ３６０ Ｃ 7825−3Ｇ (72)発明者 ティモシー ヒュー レイク イギリス、ビー エヌ44 ３ジェイ エヌ ウエスト サセックス、スティーニン グ、アパー ビーディング、トワース ロ ード、アダー ヴァリー コート 35

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガス再還流と再還流排気ガスの層流
    化を採用しピストンを内蔵しシリンダー中へ空気を導入
    するために入口弁と共働する少なくとも１つの入口ポー
    トとシリンダーから排気ガスを排出するために排気弁と
    共働する少なくとも１つの排気ポートとを有する少なく
    とも１本のシリンダーを有し、入口ポートがこれを通っ
    て流れる空気にシリンダー軸を中心として一方向にシリ
    ンダー内で渦巻き運動を生じさせるように構成、配列さ
    れ、且つ再還流排気ガスをシリンダー内へ導入する装置
    がこれを通る排気ガスがシリンダー軸を中心として前記
    一方向にシリンダー内で渦巻き運動を生じさせるように
    構造配列されている火花点火機関において、更に、入口
    弁（３）と排気弁（８）とが夫々の可変弁タイミング機
    構（３４，３６）によって操作されるように接続され、
    低エンジン負荷ではピストン（３２）の各導入ストロー
    クの開始に当たって排気弁（６）が開いて入口弁（３）
    が閉じこれによって最初に排気されたガスがシリンダー
    内に導入されその後排気弁（６）が閉じられて入口弁
    （３）が開放されて空気がシリンダー内へ導入されるよ
    うにこれらが制御されることを特徴とする火花点火内燃
    機関。
  2. 【請求項２】 入口弁（３）が開かれた後のみに入口ポ
    ート（１１）中に燃料が注入されるように制御された燃
    料噴射器（１６）を有することを特徴とする請求項１記
    載の火花点火内燃機関。
  3. 【請求項３】 シリンダー（２）が排気弁（６，５）と
    共働する２つの排気ポート（８，７）に接続され、また
    排気弁（６）のみが可変弁タイミング機構（３６）に接
    続されていることを特徴とする請求項１または２記載の
    火花点火内燃機関。
  4. 【請求項４】 シリンダーが夫々の入口弁（３，４）と
    共働する２つの入口ポート（１１，１２）に接続され、
    また装置（１８）が設けられてこれが低エンジン負荷の
    場合に空気を入口ポート（１２）に流さないようにする
    が高エンジン負荷の場合に空気をこれを通って流すよう
    にするように制御することを特徴とする請求項１乃至３
    のいずれか１項記載の火花点火内燃機関。
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